韓光超，潘高峰，劉初見，陳長(zhǎng)新，楊航潤(rùn)

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)），廣西 南寧530004；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074；3.地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)），湖北 武漢430074）

面向巖石取樣過(guò)程的超聲縱扭變幅桿設(shè)計(jì)

韓光超1，2，潘高峰2，劉初見3，陳長(zhǎng)新2，楊航潤(rùn)2

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)），廣西 南寧530004；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074；3.地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)），湖北 武漢430074）

針對(duì)超聲巖石取樣加工過(guò)程需要不同比例縱扭振動(dòng)輸出需求，設(shè)計(jì)一種具有斜槽結(jié)構(gòu)的縱扭復(fù)合階梯型超聲變幅桿。根據(jù)超聲變幅桿的縱扭復(fù)合振動(dòng)機(jī)理，利用有限元法分析確定可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的帶斜槽階梯型變幅桿基本結(jié)構(gòu)，研究斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)超聲變幅桿輸出縱振振幅與扭轉(zhuǎn)振幅比值的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，在階梯型變幅桿上合理設(shè)定斜槽的位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同比例的縱扭振動(dòng)輸出，滿足不同材質(zhì)超聲巖石取樣加工需求。

巖石取樣；縱扭復(fù)合振動(dòng)；階梯型超聲變幅桿；斜槽

超聲巖石取樣過(guò)程是通過(guò)巖石取樣工具的縱向超聲振動(dòng)和巖石試樣的柔性進(jìn)給來(lái)實(shí)現(xiàn)巖石樣品的磨削取樣加工［1］。雖然通過(guò)取樣工具的單向高頻沖擊可促進(jìn)研磨顆粒對(duì)巖石的磨削加工過(guò)程，并有效提高巖石試樣的取樣成功率，但對(duì)于硬度較大的巖石樣本，磨削取樣加工效率仍然較低，需進(jìn)一步改進(jìn)。近年來(lái)，隨著超聲輔助切削加工應(yīng)用研究的不斷深入，縱扭、縱彎等復(fù)合振動(dòng)超聲輔助成形加工成為研究的熱點(diǎn)。已有研究表明，縱扭共振復(fù)合超聲加工比單一軸向振動(dòng)超聲加工具有更優(yōu)良的加工特性。而實(shí)現(xiàn)縱—扭復(fù)合振動(dòng)的途徑按實(shí)現(xiàn)原理的不同基本可分為兩大類：一類是通過(guò)縱扭超聲換能器實(shí)現(xiàn)縱扭振動(dòng)輸出；另一類是利用縱向超聲換能器實(shí)現(xiàn)單一軸向振動(dòng)，然后通過(guò)縱扭復(fù)合超聲變幅桿實(shí)現(xiàn)縱扭振動(dòng)輸出［2-3］。在縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲變幅桿研究方面，唐軍等通過(guò)開發(fā)圓錐過(guò)渡和指數(shù)過(guò)渡階梯型縱-扭復(fù)合變幅桿，實(shí)現(xiàn)了單激勵(lì)縱扭復(fù)合振動(dòng)［4-5］。皮鈞對(duì)變幅桿上增設(shè)圓環(huán)斜槽獲得縱扭共振模態(tài)的基本原理進(jìn)行了研究［6］。段翠芳等設(shè)計(jì)了一種帶有斜槽圓環(huán)傳振桿的階梯形變幅桿［7］。劉建慧等對(duì)帶斜槽的指數(shù)過(guò)渡復(fù)合變幅桿的振動(dòng)特性進(jìn)行了優(yōu)化研究［8］。

上述研究表明，在變幅桿上設(shè)置呈圓環(huán)均勻分布的斜槽結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)超聲變幅桿的縱扭復(fù)合振動(dòng)輸出，但目前的研究多集中在斜槽幾何參數(shù)對(duì)超聲振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)頻率的影響規(guī)律方面，而對(duì)縱扭振型轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的縱扭振動(dòng)輸出比例特性的研究較少。在超聲巖石取樣過(guò)程中，采用帶斜槽結(jié)構(gòu)的階梯型超聲變幅桿實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合磨削加工過(guò)程并提高巖石取樣的效率，但還需要研究可產(chǎn)生不同比例縱向和扭轉(zhuǎn)振幅輸出的超聲變幅桿結(jié)構(gòu)，以滿足不同硬度巖石的超聲磨削加工需求。本文根據(jù)超聲變幅桿的縱扭復(fù)合振動(dòng)機(jī)理，利用有限元法分析確定可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的帶斜槽階梯型變幅桿基本結(jié)構(gòu)，并研究斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)超聲變幅桿輸出縱振振幅與扭轉(zhuǎn)振幅比值的影響規(guī)律。

1　圓環(huán)斜槽階梯型超聲變幅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲變幅桿斜槽結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳播原理，當(dāng)縱波垂直入射并從階梯型變幅桿大端傳播到有斜槽的變幅桿小端結(jié)構(gòu)時(shí)，由于斜槽結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致超聲波的傳播介質(zhì)發(fā)生變化，使得超聲縱波在斜槽位置處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射縱波、反射橫波以及折射縱波。由于斜槽間相互平行，且間距遠(yuǎn)小于傳播波長(zhǎng)，所以在斜槽處縱波和橫波將會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，這種疊加將在周向和軸向方向分別產(chǎn)生振動(dòng)分量，從而在變幅桿的輸出端產(chǎn)生縱扭復(fù)合振動(dòng)［9］。

帶斜槽的階梯型變幅桿幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)法和解析法對(duì)系統(tǒng)很難做出準(zhǔn)確描述，需要借助有限元法分析確定斜槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)。取一種常規(guī)20 kHz帶斜槽階梯型變幅桿，在小端上設(shè)置斜槽結(jié)構(gòu)（變幅桿基本結(jié)構(gòu)如圖1中所示，其中大端直徑D=38 mm，小端直徑d=20 mm，大小端長(zhǎng)度L1=L2=66 mm）。對(duì)該變幅桿進(jìn)行Ansys仿真模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明（仿真結(jié)果如圖2中所示），雖然振動(dòng)的最大值集中在變幅桿的末端，但僅僅在階梯型變幅桿小端設(shè)置斜槽并不能產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)分量。

圖1　常規(guī)帶斜槽階梯型變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　常規(guī)帶斜槽階梯型變幅桿振動(dòng)模態(tài)云圖（a）及位移矢量圖（b）

已有研究表明，改變階梯型變幅桿大小端長(zhǎng)度的比例，有利于產(chǎn)生更大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)［10］。為了使階梯型變幅桿獲得較大的扭轉(zhuǎn)分量輸出，改變變幅桿大小端長(zhǎng)度比值L1/L2，設(shè)定變幅桿輸出的縱振和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值的比值為縱扭比，通過(guò)有限元仿真研究變幅桿大小端長(zhǎng)度比值對(duì)變幅桿輸出縱扭比特性的影響，仿真結(jié)果如圖3中所示。結(jié)果表明，當(dāng)變幅桿大小端長(zhǎng)度比值大于1.6以后，變幅桿輸出縱扭比值降到4以下，表明此時(shí)變幅桿輸出的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值有了顯著增加。

圖3　變幅桿大小端長(zhǎng)度比與縱扭比的關(guān)系

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，為了滿足扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輸出的需求，初步設(shè)定帶斜槽階梯型變幅桿的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：D=38 mm，d=20 mm，大端長(zhǎng)度L1=113 mm，小端長(zhǎng)度 L2=42 mm，大小端長(zhǎng)度比值L1/L2=2.69，斜槽長(zhǎng)度L3=15 mm，斜槽寬度b=2 mm，斜槽傾角a=45°，斜槽距大端面距離c=123 mm，斜槽數(shù)目n=4，斜槽深度h=4 mm.此時(shí)的變幅桿振動(dòng)仿真模態(tài)云圖和位移矢量圖如圖4中所示。結(jié)果表明，變幅桿的諧振頻率為19 973 Hz，滿足20 kHz的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)超聲振動(dòng)的最大值集中在變幅桿的末端，且有明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生（圖4（b）中末端箭頭所示）。

圖4　改進(jìn)帶斜槽階梯型變幅桿振動(dòng)模態(tài)云圖及位移矢量圖

2　斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)縱扭振動(dòng)特性的影響規(guī)律

為了進(jìn)一步研究斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)階梯型變幅桿縱扭振動(dòng)輸出特性的影響規(guī)律，對(duì)斜槽數(shù)目n、斜槽長(zhǎng)度L3、斜槽寬度b、斜槽距變幅桿大端面距離c、斜槽深度h進(jìn)行單因素仿真分析研究，提取20±1 kHz頻率范圍內(nèi)階梯型變幅桿輸出的縱振振幅和扭轉(zhuǎn)振幅比值作為研究對(duì)象，具體的仿真結(jié)果如圖5中所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖5　斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)階梯型變幅桿縱扭比的影響規(guī)律

仿真分析結(jié)果表明，對(duì)于在變幅桿小端上設(shè)置斜槽結(jié)構(gòu)的階梯型變幅桿，隨著斜槽數(shù)目、斜槽長(zhǎng)度、斜槽寬度和斜槽深度取值的增加，縱扭比的數(shù)值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這表明變幅桿所輸出的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中斜槽寬度對(duì)縱扭比的影響最小。這是因?yàn)?，由能量守恒定律可知，帶斜槽階梯型變幅桿輸出端的縱振分量和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量的總和是恒定不變的，而斜槽數(shù)目、斜槽長(zhǎng)度、斜槽寬度和斜槽深度等斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)直接影響斜槽所能吸收的縱波入射橫截面積，取值越大則能吸收縱波的橫截面積越大，所吸收的縱波也就越多，所能產(chǎn)生的橫波反射就越多，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值也隨之相應(yīng)增加。

但當(dāng)斜槽長(zhǎng)度的增長(zhǎng)超過(guò)一定范圍，縱扭比值即扭轉(zhuǎn)幅值的變化逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)斜槽長(zhǎng)度超過(guò)一定值，斜槽長(zhǎng)度沿變幅桿小端圓周方向的投影開始出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，所能吸收的縱波能量趨于穩(wěn)定，因此扭轉(zhuǎn)幅值的輸出變化也趨于穩(wěn)定。而隨著斜槽寬度的增加，縱波吸收截面的增加較為緩慢，因此縱扭比的變化也較小。另一方面，當(dāng)斜槽位置遠(yuǎn)離縱波輸入端時(shí)（即斜槽位置距離大端面越遠(yuǎn)時(shí)），縱扭比值卻呈逐漸增大趨勢(shì)，這表明扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值在逐漸減小。這是因?yàn)樾辈鄣奈恢脹Q定著縱波在哪個(gè)幅值段被反射，當(dāng)斜槽位置靠近大端的縱波節(jié)點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的扭振分量將增大，反之亦然［11］。

綜上所述，根據(jù)實(shí)際巖石取樣磨削加工的需要來(lái)改變階梯型變幅桿小端上分布的斜槽位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)，可使階梯型變幅桿實(shí)現(xiàn)不同縱扭比值的超聲振動(dòng)輸出，即具有不同的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，從而滿足不同條件超聲巖石磨削取樣加工的需求。

3　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超聲巖石磨削取樣加工所需可產(chǎn)生不同扭轉(zhuǎn)分量的超聲變幅桿，對(duì)帶斜槽階梯型變幅桿的結(jié)構(gòu)和超聲振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析研究，得到結(jié)論如下：

（1）在傳統(tǒng)階梯型變幅桿小端單純?cè)O(shè)置斜槽結(jié)構(gòu)并不能產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)分量，但通過(guò)增大階梯型變幅桿大端與小端的長(zhǎng)度比值可顯著增加扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值的輸出；

（2）隨著斜槽數(shù)目、斜槽長(zhǎng)度、斜槽寬度和斜槽深度的增加，階梯型變幅桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值輸出呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中斜槽寬度對(duì)幅值增加的影響最?。欢?dāng)斜槽位置遠(yuǎn)離變幅桿輸入端時(shí)，變幅桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值呈逐漸減小趨勢(shì)；

（3）通過(guò)改變階梯型變幅桿上斜槽的位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)，可設(shè)計(jì)具有不同扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值輸出特性的階梯型變幅桿，滿足不同硬度巖石材料的超聲磨削加工需求。

［1］韓光超，劉初見，王超，等.一種超聲輔助巖石取樣裝置及巖石取樣方法［P］:中國(guó)，專利號(hào)：ZL 2014 1 0301083.8，2016-03-23.

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Design of Longitudinal-Torsional Ultrasonic Horn for Rock Sampling Process

HAN Guang-chao1，2，PAN Gao-feng2，LIU Chu-jian3，CHENG Chang-xin2，YANG Hang-run2
（1.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&Advanced Manufacturing Technology （Guangxi University），Nanning 530004，China；2.School of Electronic Information&Mechanics，China University of Geosiences，Wuhan 430074，China；3.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources（China University of Geosiences），Wuhan 430074，China）

For the requirements of different ratio output with longitudinal and torsional compound vibration during ultrasonic rock sampling process，a kind of compound longitudinal-torsional ultrasonic stepped horn with multiple diagonal slits was designed.According to the principle of compound longitudinal-torsional vibration of ultrasonic horns，the finite element method was used to confirm the basic structure of stepped horn with diagonal slits for generating longitudinal-torsional vibration，and the influence rule was simulated analyzed for the structure parameters variation of the slits about the output specific value of longitudinal and torsional vibration.The research results show that the reasonable setting of position and structure parameters of the diagonal slits on the stepped horn can get different specific value of longitudinal and torsional vibration output，which can satisfy the ultrasonic rock sampling requirements of different rock materials.

rock sampling；longitudinal-torsional vibration；ultrasonic stepped horn；diagonal slits

TG663

A

1672-545X（2016）07-0005-04

2016-04-22

湖北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAA019）；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（14-045-15S06）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（AWJ-M15-07）；華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（P2015-04）

韓光超（1974-），男，博士，副教授，研究方向：超聲振動(dòng)輔助成形加工、數(shù)字化光整加工、快速成形與快速制模。